疲劳设计教学机械设计论文范文

一、疲劳设计部分内容的教学逻辑构建

根据上述教学目标，疲劳设计部分的教学逻辑应按照下述的顺序进行：1．讲解疲劳破坏发生的原因和破坏特征。这部分要首先举一些发生疲劳破坏的实例来说明什么是疲劳破坏。比如轴在工作过程中，当一直受到径向载荷作用时，轴的截面上将产生交变应力，在这种应力长时间作用下，轴将会产生疲劳断裂。这时可以展示轴的疲劳断裂截面图，说明这个断裂截面有哪些特征。2．讲解材料的σ－N疲劳特性曲线图。讲解时要着重强调这个图的含义，它是如何通过大量的试验数据绘制出来的，讲解这个曲线可以分成哪几段，每一段各代表什么含义，讲解为什么我们一般只重点关注有限寿命区中疲劳极限随循环次数变化较大的这一部分，进而引出疲劳曲线方程。3．讲解材料的σa－σm特性曲线。讲这部分之前，一定要说明这个曲线和前面的σ－N疲劳特性曲线的关系，这里是学生最容易混淆的部分。应说明该曲线也是根据大量试验数据描绘出来的，并说明曲线上几个关键点的物理意义，讲解该曲线的简化方法有哪几种，常用的简化方法是哪一种，说明其原因。4．讲解影响零件疲劳强度的因素。这部分重点讲几个影响系数，即：理论应力集中系数（kσ，kτ）、尺寸系数（εσ，ετ）、表面状态系数（βσ、βτ）。关键是要讲清楚什么叫应力集中，为何当应力集中现象产生时会降低疲劳强度，如何引入系数进行修正？什么叫尺寸系数，为何尺寸变大后疲劳强度会降低。什么叫表面状态系数，为何要引入修正系数进行修正。5．讲解零件的疲劳极限应力图。说明极限应力图其实就是σa－σm特性曲线，零件的σa－σm特性曲线与材料的σa－σm特性曲线的区别就在于，它以零件的形式出现时，已经确定了几何形状、加工方法、尺寸、表面状态等，因此必须考虑前面谈到的三种修正系数，进而自然引出新的（零件）疲劳极限应力图。6．讲解零件的安全系数计算方法。这部分内容是这一章的核心内容。主要介绍图解法和解析法求解安全系数这两种方法。讲解图解法，一定要说清楚极限应力图中的两个区域（疲劳安全区、塑性安全区），说清楚当应力在这两个区域中按照不同的应力增长方式变化，什么情况下发生疲劳破坏，什么时候发生塑性破坏，在此基础上，再讲解安全系数的两种计算公式的推导过程。7．讲解疲劳损伤的线性积累现象。首先举例说明疲劳作用的线性积累过程，让学生理解为什么每一次的疲劳作用都会对零件造成一定程度的损伤，接下来再介绍线性疲劳损伤积累假说，要求学生在理解的基础上用自己的语言描述出来。按照上述的教学逻辑施教，将可以实现知识点上的连续性和相互关联性，便于实施层层递进的教学过程，方便学生学习和掌握。同时，讲解过程中，除了强化原理解释外，讲解上述2—7部分时一定要配以相关的例题进行阐释，以帮助学生更深入地理解。

二、疲劳设计部分两个难点内容的教学方法

从上述的分析中可以看出，疲劳设计这部分的教学内容很多，确实存在着学生难以理解的现象。在此，笔者认为，学生对这部分知识最难懂的地方有两个：一是两个疲劳曲线图的理解和应用，二是如何通过使用极限应力图有效进行安全系数的计算。为了提高这两个难点的教学效果，笔者采用以下的教学方法。

（一）材料的疲劳特性曲线教学方法

这部分内容在讲解时首先要谈两个实验曲线。图1是通过实验测试建立的σ－N（或τ－N）疲劳特性曲线，图2是通过实验测试建立的σa－σm（τa－τm）疲劳特性曲线，这两个曲线都是通过大量的实验数据拟合得到的，是针对材料的疲劳性能所进行的标准化实验而得到的，不涉及零件的问题。要讲清楚实验条件及这两个曲线的物理意义。接下来应阐述通过对图1的简化而得到图3的意义。讲清楚图3的分区，每个区域的物理意义。引入疲劳极限的概念。疲劳曲线上每一点所对应的应力σrN或τrN称为疲劳极限，表示循环次数N下材料不发生疲劳破坏的应力最大值。钢在受到弯曲、拉压和扭转剪切作用时的疲劳极限值不同，但疲劳曲线具有大致相似的形状。对于机械设计问题，大部分材料处于AB段，这一区域中，疲劳曲线符合指数方程：σmrNN＝σmrN0＝CτmrNN＝τmrN0＝C′（1）由该公式出发解释m、N0的物理意义及取值方法，讲解循环特性r对疲劳曲线的影响规律（图4）。通过这样的讲解，学生自然就能够掌握图3的来历，也易于掌握其基本的内在知识点。采用上述同样的讲解逻辑，可以建立图2和图5之间的关系。即图5是通过对图2的简化而来的有关材料的标准化试验曲线。表达的是在不同循环特性r的应力作用相同的次数N，材料的疲劳极限应力，在曲线上的每一点都是等寿命的，又称为疲劳极限应力图。该曲线上有三个关键点，分别为对称循环点A（0，σ－1），脉动循环点B（σ0／2，σ0／2），静强度极限点F（σB，0）。接下来要讲解如何对图5进行简化，指出为何我们一般只采用图6的简化方法。至此，就可以完成疲劳强度极限应力图的构建过程，为下一步利用其进行有关安全系数的计算创造条件。

（二）零件的疲劳曲线及安全系数计算的教学方法

讲这部分内容时，首先要说明，前面介绍的疲劳特性曲线是针对材料进行的标准化实验得到的，但对于一个具体的零件来说，其疲劳强度还会受到应力集中、加工方法、热处理、尺寸大小、表面状态、环境介质、加载顺序、工作频率、加载速度等一系列因素的影响。其中应力集中、尺寸大小、表面状态三项因素的影响最为突出。接下来讲解机械零件的三种常见的应力增长方式，并以r＝σminσmax＝常数的增长方式讲解安全系数的公式推导示范。机械零件的疲劳安全系数计算方法有两种：一是图解法，二是解析法。这两种方法都是以图7为依据进行推导而建立的。接下来要应用图8的示意图进行讲解。如果有一个零件工作的应力状态点在疲劳安全区的C点，当按照r＝常数进行应力增长时，将发生疲劳破坏。公式（4）—（7）具有同等的意义。因此，使用图解法时，只要按照比例关系绘制出图8，通过量取相应的线段长度，即可完成安全系数的求解过程。而当零件的工作应力点处于塑性安全区的某一点C1时，按照r＝常数进行应力增长时，将发生塑性破坏。至此，教学就完成了图解法和解析法计算安全系数的讲解。通过这样的过程，学生将易于掌握整个过程的来龙去脉，实现在理解的基础上的牢固掌握。

三、结束语

笔者根据教学实践，从疲劳设计部分内容的教学逻辑构建、材料的疲劳特性曲线教学方法、零件的疲劳曲线及安全系数计算的教学方法三个方面，系统分析了疲劳设计这部分内容的教学思路、教学衔接过程及每一部分的注意事项。但本文阐述的仅仅是该部分教学内容的核心部分，实际的教学过程中还有一些方面需要进行深入地思考。比如讲解疲劳断裂过程时，应该紧密结合零件的受力特点和疲劳发生的机理进行，并着重说清楚影响疲劳破坏的各种因素，以便学生将来进行具体的机械设计时能够自觉地通过设计技巧提升零件的疲劳寿命；讲解安全系数的计算方法时，不仅要想办法使学生理解掌握公式的推导过程，同时要带领学生熟悉相关图表的数据查取方法，因为能否掌握这些参数的获取方法，是学生能否在实际应用中有效计算安全系数的重要方面；讲解线性疲劳损伤积累假说理论及应用时，应该首先讲解非稳定变应力的产生原因，进而引出线性疲劳损伤积累假说的实际意义，并要详细说明在使用该理论进行安全系数计算时，如何对各种非稳定变应力进行简化处理。此外，在这一部分内容教学任务完成后，教师还应该告诉学生，疲劳强度、疲劳寿命方面的问题很复杂，这门课程所涉及的内容和深度都是十分有限的，今后如果在实际中面对一些对疲劳安全性能计算要求很高的场合，还要进一步补充有关疲劳问题的知识，甚至有些情况要进行针对性的疲劳试验研究。总之，疲劳设计这一部分的教学在教学方法的设计、逻辑过程的安排、每个知识点的处理方法，以及设计计算的细节问题上，还有很多地方需要我们在教学过程中认真思考、探索更为有效的教学方法。本文所介绍的关于疲劳设计这部分内容的教学方法只是笔者在教学实践中的一些初步体会和思考，要进一步提高这部分的教学效果，任课教师还需要不断地在教学方法上认真研究和思考。

作者：安琦王建文单位：华东理工大学机械与动力工程学院